西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣定點觀測臺站建設分析

趙潔 蘇鶴軍 高曙德 楊超 郭赟 孟維斌 王文熙 田潔

摘要：

介紹西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣觀測臺站的設計思路、建設內容以及運行情況，并通過一年來觀測數據的分析認為，各觀測臺站斷層土壤氣體背景值穩定，觀測數據合理可靠，且3個觀測站同一測項的變化形態具有相似性、同步性，并在榆中MS3.6、瑪多MS7.4和門源MS6.9地震前出現同步異常響應，表明西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣具有反映區域構造應力變化的潛力。同時斷層土壤氣定點觀測臺站的建設方案與技術指標為后期組建斷層土壤氣觀測臺網提供借鑒和參考，為進一步推廣應用奠定良好基礎。

關鍵詞：

西秦嶺北緣斷裂帶; 斷層氣; 連續觀測; 臺站建設

中圖分類號： P315????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0447-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220408001

Construction of fixed-point observation stations of the soil gas

along the northern margin fault of West Qinling

ZHAO Jie1，2， SU Hejun1，2， GAO Shude1，2， YANG Chao2， GUO Yun3，

MENG Weibin4， WANG Wenxi2， TIAN Jie2

（1. Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

3. Kangding Seismic Monitoring Center Station， Sichuan Earthquake Agency， Kangding 626299，Sichuan， China;

4. Tianshui Earthquake Agency， Tianshui 741000， Gansu， China）

Abstract：

In this paper， the design idea， construction content， and operation of three soil gas observation stations along the northern margin fault of West Qinling are introduced. Through an analysis of observation data in the past year， the background values of soil gas observed by the stations are considered stable， and the observation data are considered reasonable and reliable. The change patterns of the same measurement item at the three observation stations are similar and synchronous， and synchronous abnormal responses occurred before the Yuzhong MS3.6， Maduo MS7.4， and Menyuan MS6.9 earthquakes. This finding shows that the soil gas along the northern margin of West Qinling potentially reflects the changes in regional tectonic stress. Furthermore， the construction scheme and technical indicators of fixed-point observation stations for fault soil gas provide a reference for establishing a fault soil gas observation network in the study area and lay a good foundation for further promotion and application.

Keywords：

the northern margin fault of West Qinling; fault gas; continuous observation; station construction

0 引言

地下氣體是地殼中最活躍的組分，也是能直接將地下深部信息攜帶至地表的載體。地殼氣體的釋放空間主要集中在洋脊、火山、溫泉及活動性構造等地殼薄弱部位［1］。利用斷層氣氡、氫、二氧化碳及甲烷等作為研究活動構造的一種方法，目前已得到地震地質界的廣泛重視［2］。通過多年研究發現，斷層氣（H2、CO2、Rn）濃度觀測具有異常幅度大、震前異常時間短、短臨特征顯著等特點［3］。氡是與巖石受力及裂隙開啟最直接的物質，氫氣是揭示巖石新鮮破裂程度最直接的氣體，二氧化碳是表征深部物質運移的指示性氣體［4］，均逐漸應用于地震前兆觀測，并取得了一定的成果［5-7］。西秦嶺北緣斷裂帶位于中國地震局多年劃定的年度地震危險監視區，加強該斷裂的前兆監測對提升該危險區震情跟蹤能力具有重要的現實意義，近年來引起中國地震局和甘肅省地震局的高度重視，并基于本區域前人開展了斷層氣相關研究及構造地球化學流動測量試驗研究［8-10］，2020年底在西秦嶺北緣斷裂帶（天水段）選擇適宜場地新建3個連續觀測站（表1），擬探索適合本地區連續觀測站建設的技術要求，而開展的斷層土壤氣等地球物理場的觀測可為甘肅東南部震情跟蹤提供可靠的數據支持。本文詳細介紹了從設計思路、場地勘選以及產出數據的質量分析等整個建設和評價過程，總結了建設經驗和觀測技術方法，為技術推廣應用打下堅實基礎。

1 西秦嶺北緣斷裂帶東段構造背景

西秦嶺北緣斷裂帶東段位于甘肅東南部，地處秦嶺緯向構造帶中段，渭河斷裂的南緣，屬地震頻發區，其地質構造較復雜。區內深大斷裂縱橫，是多個深大斷裂呈“X”形交匯的咽喉之地［11］。東南部的武都山字型構造體系前弧和東翼橫跨本區，同時北西向隴西系內旋褶帶末端由北偏西方向插入區內。各斷裂相互交接復合，形成了極其復雜的構造圖形（圖1）。據統計，有文獻記載以來沿西秦嶺北緣斷裂帶就發生過6級以上地震9次之多［12-13］。斷裂附近的天水地區曾發生過1654年8級大地震［14］。2020年底新建的3個連續斷層土壤氣觀測站中，毛集點位于西秦嶺北緣斷裂秀峰山北緣段，為全新世活動斷裂，活動性質兼具左旋走滑和逆斷，最新一次活動距今約1 200年;馬窯點位于西秦嶺北緣斷裂鳳凰山段，為全新世活動斷裂，活動性質以左旋走滑為主，有人認為734年天水71/2級地震就發生在該段;原家莊點位于西秦嶺北緣斷裂武山—天水段，為全新世活動斷裂，活動性質以左旋走滑為主。

2 場地勘選

2.1 觀測場地勘選

前期構造地球化學流動觀測研究結果表明，在中國西部干旱少雨多震地區，斷層氣觀測具有較好的地震短臨跟蹤監測前景［15］。通過2018、2019年不同季節跨斷層土壤氣測量及結果分析，并綜合調查地震地質背景、氣體觀測基礎及交通條件等因素，在西秦嶺北緣斷裂天水段初步確定了麥積區毛集村、秦州區馬窯村及甘谷原家莊3個斷層氣觀測場地，并進行了固定點位的堪選（圖2）。

毛集場地位于西秦嶺北緣斷裂天水段東南端的秀峰山北緣斷裂上，斷層南側基巖為震旦紀秦嶺巖群，以斜長角閃巖、片麻巖、大理巖、白云巖、黑云石英片巖、石英片巖、角閃片巖及混合質片麻巖為主，北側為新近系紅色砂巖、黏土巖及灰綠色泥巖。馬窯場地位于西秦嶺北緣斷裂天水段最西端的鳳凰山分支斷裂上，斷層帶附近出露地層為第三系甘肅群，發育黃、紅、灰色為主的泥巖、砂質泥巖及砂礫巖夾泥灰巖。原家莊場地位于西秦嶺北緣斷裂武山—天水段的中西部，斷裂帶附近發育的地層巖性主要有兩種：一是白堊系麥積山組，以紫紅色含礫砂巖、砂礫巖夾細砂巖、粉砂質泥巖為主;二是少量發育震旦紀秦嶺巖群，以斜長角閃巖、片麻巖、大理巖、白云巖、黑云石英片巖、石英片巖、角閃片巖及混合質片麻巖為主。毛集、馬窯和原家莊觀測孔深度均為4 m，所處的斷裂帶土壤層均屬于第四紀更新世（Q）松散堆積物形成的地層。

2.2 觀測點勘選

根據斷層氣觀測技術特點及參考《痕量氫觀測技術規范（試行）》要求范雪芳．痕量氫觀測技術規范（試行稿）.2016.，在固定臺勘選時注重以下幾條基本原則：一是確保構造位置精確性，二是兼顧測量環境的抗干擾性，以確保測量新鮮氣體［16］。為此需綜合考慮構造地質、水文地質、覆蓋層厚度和土壤類型以及人類活動等多種可能因素，并逐一擬定了應對方案。

（1） 確保構造位的精確性

根據現有構造地質研究的成果，重點考慮已有的探槽或詳細剖面資料的位置，這為斷裂精確位置的確定提供重要的基礎資料。在此基礎上，利用地球化學隱伏斷層探測手段進行斷面位置核實，在垂直斷裂帶上布置測線進行多組分氣體測量，點距約為10 m，并對高值點進行加密或復測，加密點距從5 m到2 m最后再到1 m逐步細化。土壤氣體采用直接采氣方式，打孔采取地下某一深度的氣體進行分析。測量過程中，首先在測點處打孔，孔徑為3 cm、深度約為80 cm;然后將螺旋取樣器（采樣桿中空，內裝有襯管）置于孔內，封住孔口;最后連接儀器開始取樣、測量（圖3）。為避免氣象因素影響土壤氣濃度測量結果，每條測線均在1天內完成［17］。土壤氣中的CO2濃度使用GXH-3010型便攜式紅外線二氧化碳分析儀野外現場測定，其檢出限為10×10-6，測量誤差小于1％；Rn濃度使用GenitronAlphaGUARD P2000測氡儀現場測量，每個測點測量時間為10 min，檢出限為10 Bq/m3，誤差小于10%。H2濃度使用ATG-300H快速便攜式測氫儀現場抽氣測量，儀器測量的最大濃度值作為每個測點的測量值，檢出限為0.05×10-6，測量誤差小于1％。

（2） 確保測量環境的抗干擾性

為避免環境的干擾，特別要注意避開降水的影響，并根據斷層氣孔的深度（設計為4 m）選擇的觀測站建設位置要高于周圍自然水溝、低洼易積水的位置8 m以上的高坡和小的山脊位置，測點最好位于基巖地區，而且基巖上面的覆蓋層最好大于觀測孔的深度［18］。覆蓋土壤層為透氣較好的砂礫或者砂土層比較好，測點盡可能選在斷層破碎帶上［19］。

2.3 勘測結果與觀測位置確定

斷裂帶土壤氣多組分異常的一致性是構造地球化學方法進行隱伏斷層探測的重要依據，同時考慮不同組分異常曲線形態、物理化學特征，結合地貌特征及探槽等地質資料進行詳細鑒別確認。

2.3.1 天水市麥積區花牛鎮毛集村

該剖面位于西秦嶺次級斷裂，測線方向近北向南。圖4是該剖面斷層氣濃度曲線圖。由圖可知：各組分的兩期測量數據曲線形態基本一致，其中CO2和H2的峰值特征同步［圖4（a）～（c）］，并與地貌特征相吻合［圖4（d）］，綜合考慮建設環境等因素后擬定在測距60 m處修建固定觀測室。圖4（a）～（c）中實驗測量數據有兩組，其中紅色曲線為2018年12月測量數據，黑色曲線為2019年5月測量數據，每個點均在地表打孔直接取氣測量，測線長度為100 m，點距為10 m。

2.3.2 天水市秦州區中梁鎮馬窯村

該剖面位于鳳凰山斷裂，測線方向近北向南。圖5是該剖面斷層氣濃度曲線圖。由圖［圖5（a）～（c）］可知H2、Rn和CO2濃度曲線形態一致，均自第5點開始變大，與地貌特征相吻合［圖5（d）］，綜合考慮建設環境等因素后擬定在測距50 m處修建觀測室。

2.3.3 天水市甘谷縣磐安鎮原家莊

該剖面位于西秦嶺斷裂，測線方向近南北向。圖6是該剖面斷層氣濃度曲線圖。由圖可知：H2、Rn和CO2濃度曲線形態一致，均在點6之后變為高值［圖6（a）～（c），圖中點7為點6相距4 m的加密點］，其中測點4～5對應于斷裂上盤位置，均可供參考選址，而測點6不能排除環境干擾因素（集水區域）。綜合以上考慮，擬定在測距40 m處建固定觀測室。

以上3個點的勘選結果表明，臺站選址時，盡可能考慮在斷層或斷裂破碎帶上進行測量，其高值與斷裂上盤位置相吻合。為了避免環境因素的干擾，點位應選在土壤氣濃度較高、地下水位埋深大、人為干擾小、易于施工且便于維護的位置，同時也要避開耕地和房屋等不適合觀測的地方，還需要考慮鉆孔施工條件、觀測站管理與運行等因素。

3 觀測臺站建設

根據前面勘選工作過程可知，斷層氣固定觀測臺站分別位于西秦嶺北緣斷裂帶的不同次級斷裂上，其斷層性質基本一致，區域地貌和水文地質條件相似，因此，選擇相同結構觀測孔有利于對比分析不同觀測點對斷層不同段活動的響應程度。每個斷層氣固定觀測站由觀測井孔、觀測室和機柜等部分組成。

3.1 觀測孔建設

觀測孔選用花管集氣方式進行固定觀測。集氣裝置采用四氟乙烯材質，目的是減少對氫氣的吸附［圖7（a）］。觀測孔由人工開挖。開挖3個裸孔，2孔相距30 cm;裸孔直徑80 cm，每個孔底部放置一根直徑為11 cm、長1 m的集氣花管，在花管中央植入兩個多孔原位采氣模塊，在其頂連接耐腐蝕無損耗專用導氣管，花管變徑后在上面連接直徑為5 cm、長1.5 mPPR保護管，每根花管上面打有若干集氣小孔［圖7（b）］。在建設時預留2個導氣管可作為今后增加觀測項目或者對比觀測等工作使用［圖7（b）］。同時，為避免觀測點受外界溫度的影響，宜在保護管上套長度不小于150 cm的隔熱保溫棉套，防止冷熱空氣對導氣管內氣體濃度的干擾。

因流動測量受到的干擾因素較多，特別是采氣量較難滿足不同組分觀測儀器的氣量需求、采氣深度較淺且容易受大氣干擾。為了盡可能減少干擾因素，提高監測質量，根據天水地區氣溫及環境情況資料分析，該地區凍土層一般0.7～1 m，年氣溫在-20～35 ℃，年平均降雨量為500 mm，地下水位較淺，所以土壤氣觀測孔深度應在4 m左右［圖8（a）］?？變鹊販叵鄬愣ǎ寥罋獠皇軠囟扔绊?。在距離地面3 m的地方用三層不降解塑料隔離膜與下部的集氣管和鵝卵石分離，使集氣管完全處在一個密閉空間內，更利于收集氣體。增加隔離膜還能防止地表水往下滲漏，避免了氣體受降雨等影響的問題。另外，集氣裝置只與直徑為5 cm PPR導氣管接通，起到封堵下部氣體與地表大氣交換的作用。在地下3 m埋設直徑為11 cm的集氣裝置，周圍用3～7 cm的鵝卵石填充，使深部斷層氣體暢通交換，并敷設地溫探頭。井孔結構與建設材料等如圖7（c）所示。由于新建測點固定，氣量可以滿足各儀器的測量需求。

3.2 觀測室建設

觀測室盡量選在村莊附近，便于架設通訊和接入農電，還要方便看護。建筑面積6.25 m2，為框架結構，室內乳膠漆粉刷，外墻真石漆噴涂，觀測室綜合布線及外觀亮化，設置儀器標識標牌，達到標準化建設要求［圖8（b）］。室內架設32U機柜一臺，機柜內安裝鄭州晶微電子科技有限公司DDL-1氣氡儀、杭州超距ATG-C600二氧化碳在線分析儀、ATG-6118H痕量氫在線自動分析儀、ATG-CH4甲烷在線分析儀和北京中科光大研發生產的地溫計觀測儀器［圖8（c）］。市電主要依靠農村用電供電，配備UPS不間斷電源，可靠性有所保障。通訊主要用于遠程監控，為便觀測資料的收取，采用MSTP光纖傳輸方式（6 M，該方式可保證數據傳輸安全可靠），能夠完全滿足連續觀測數據傳輸的要求。安裝一個專用避雷配電箱，可通過儀器與外線路相連接，防止儀器遭受雷擊。臺站實行無人值守，有人看護模式。

3.3 觀測儀器

斷層氣固定點臺站使用的儀器設備都是國內公司研制生產，包括鄭州晶微DDL-1氣氡儀、杭州超距ATG-6118H衡量氫在線分析儀、ATG-C600二氧化碳在線分析儀、ATG-CH4甲烷在線分析儀和北京中科光大高精度ZKGD3000-T地溫儀（表2）。以上儀器設備的技術指標滿足臺站建設的設計要求。

4 運行情況

西秦嶺北緣斷裂帶斷層土壤氣定點臺站于2020年12月底進行儀器現場安裝調試，并于2021年1月開始運行。每個臺站共安裝埋設18套花管集氣裝置［圖7（a）］，架設14臺儀器。通過一年的連續觀測狀態評估及數據分析表明：各儀器運行正常，觀測數據基本穩定、連續、可靠，未出現因儀器故障引起的觀測異常情況，滿足地震前兆數據觀測要求。

本文選取2021年1月—2022年3月3個測站所有測項較為穩定的數據進行對比分析，可以看出觀測數據動態變化清晰，如圖9所示，3個觀測站CO2濃度變化曲線變化趨勢基本相似，呈“夏高冬低”的正常年變規律［圖9（a）～（c）］。3個觀測站Rn濃度變化曲線均呈現顯著的周期性波動變化［圖9（d）～（f）］，自11月1日開始出現同步大幅度升高現象，并于11月7日分別達到最高值28.0 Bg/L、28.9 Bg/L和19.9 Bg/L，其變化幅度分別為180%、189%和121%，之后略有下降，61天后發生門源MS6.9地震，震后測值逐漸恢復正常，其異常特征基本表現為“低值―加速上升―下降”規律［圖9（d）～（f）］;3個觀測站H2濃度變化曲線均呈脈沖式變化［圖9（g）～（i）］，且變化幅度十分穩定，約為0.05×10-6。但在2021年1月13日14時，毛集觀測站H2測值出現異常，變化量達0.2×10-6，變化率較背景值（0.15×10-6）高出146%［圖9（h）、（l）］;同一時段1月14日6時原家莊H2測值變化0.05×10-6，變化率較背景值（0.15×10-6）高出33%［圖9（i）、（m）］;經調查已排除人為活動、建筑施工、環境干擾及降雨等氣象因素影響，同時發現毛集和袁家莊觀測站的H2濃度異常與1月14日17時甘肅榆中MS3.6地震具有良好的時間響應關系，突跳持續時間分別為11 h和22 h。由于觀測時間較短，積累資料有限，暫且不能確定這次變化與榆中3.6級地震有關，但這兩個測點的變化以及地震事件是客觀存在的，這對我們后續分析觀測資料提供了更多的思考，即當有兩個及以上觀測站的觀測資料發生同步變化時，應當考慮是否為地震前兆信息，這對短臨預測具有重要意義;馬窯觀測站與毛集觀測站CH4濃度變化曲線形態基本相似［圖9（j）、（k）］，1—5月處于緩慢上升趨勢，4月25日至5月10日數據缺測是交流農電停電造成，后續數據變化較為平穩，同時觀察到CH4濃度變化存在0.01%的隨機突跳臺階，但并不影響CH4濃度的趨勢變化［圖9（j）］。但在2021年5月11日12時，毛集CH4濃度開始加速上升，17時達到最高值0.17%，與背景值（0.07%）相比變幅達142%［圖9（k）］。測值在下降過程中于5月22日發生了青?，敹郙S7.4地震，震后測值變化基本恢復，異常時間11天。由于觀測時間較短，積累資料有限，暫且不能確定這次變化與瑪多7.4級地震有關，同時也不能排除這次變化是受交流供電影響的可能性，但這個測點的變化以及地震事件是客觀存在的，這對我們后續分析觀測資料提供了更多的思考。

綜上所述，雖然3個觀測站分布在西秦嶺北緣斷裂帶的不同次級斷層上，最遠相距約70 km，且各測項背景值也存在差異，但同一測項濃度變化形態較為相似，且異常出現的同步性良好，一方面表明觀測數據穩定、合理、可靠，另一方面表明位于該斷裂帶上的不同觀測站，其觀測到的斷層氣體化學組分變化可能受控于同一構造應力應變［20］，其中具體的物理機制將在后續數據分析中進一步研究。

5 結論與建議

通過以上對西秦嶺北緣斷裂帶斷層土壤氣定點觀測臺站選址、建設及運行過程的跟蹤分析，得出以下幾點結論：

（1） 斷層土壤氣固定臺連續觀測是一個新的前兆監測手段，在全國多地正進行試驗性建設研究，但目前還沒有一個完整的建設標準和操作規范，西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣固定臺的建設經驗為今后該手段建設規范的形成及其推廣應用提供了寶貴的基礎資料。

（2） 通過3個觀測站一年的連續運行數據對比分析，各測項背景值較為穩定，同一測項濃度變化形態具有相似性、同步性，表明觀測數據穩定、可靠、合理。

（3） 通過相關震例分析，3個測站的衡量氫、氡和甲烷在榆中MS3.6、瑪多MS7.4和門源MS6.9地震前出現同步異?，F象，表明西秦嶺北緣斷裂帶土壤氣固定臺具有監測區域應力變化的潛力，可作為綜合分析和研判震情趨勢的重要手段，為加強我省震情監視跟蹤和防震減災能力提供技術支撐。

致謝：應急管理部國家自然災害防治研究院劉耀煒研究員和高小其研究員在建設初期給予中肯的建議和意見，高小其研究員無償捐助甲烷儀器，山西省地震局范雪芳高級工程師、蘭州巖土地震研究所王愛國研究員、張波副研究員在建設時給予指導和幫助，甘肅地震臺王小娟高級工程師等參加了前期的勘選工作，在此一并表示衷心感謝。

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